Палеонтологічна виставка зосереджується переважно на скелетах динозаврів, знайдених польсько-монгольськими експедиціями до пустелі Гобі під керівництвом Софії Келан-Яворовської у 1960-х і 1970-х роках. Найбільший виставковий зал Музею еволюції майже повністю зайнятий масивною реконструкцією скелета гігантського рослиноїдного динозавра Opisthocoelicaudia. Цікаво, що череп, використаний в цій реконструкції скелета, насправді є черепом іншого динозавра з Гобі – Nemegtosaurus – і був знайдений за кілька кілометрів від скелета Opisthocoelicaudia. Однак, деякі палеонтологи стверджують, що і скелет, і череп відносяться до одного  виду, і саме ця точка зору відображена в нашій реконструкції.

Крім Opisthocoelicaudia, найбільший з виставкових залів Музею також містить інші зразки, зібрані в Гобі, такі як скам’янілі яйця динозаврів, рештки панцирних (анкілозаврів) і ранніх рогатих (цератопсів) динозаврів, а також крихітні черепи крейдових ссавців, що жили в тіні гігантських динозаврів.

Однак, найбільш вражаючими експонатами в музеї є черепи та скелети гігантських хижих динозаврів, виявлені в крейдових відкладах Гобі, які виставлені у спеціальному виставковому залі. У центрі уваги — гігантський Tarbosaurus, азіатський родич знаменитого Т. rex, представлений двома реконструкціями скелетів. Перша реконструкція показує тварину з хребтом, паралельним поверхні землі, що відображає наше сучасне розуміння анатомії цього динозавра. Другий скелет знаходиться в кенгуру-подібній позі, що відповідає попереднім уявленням про пересування динозавру. Ці контрастні реконструкції є блискучим прикладом того, наскільки сильно наше розуміння природи динозаврів еволюціонувало протягом останніх 50-ти років. Найбільш інтригуюча скам’янілість, яка представлена в музеї, це безсумнівно, Deinocheirus. Тільки колосальні передні кінцівки цього динозавра були знайдені в Гобі в 1965 році, і приналежність цієї тварини залишалася загадкою до 2014 року, коли міжнародна група вчених знайшла більш повні скелети і продемонструвала, що Deinocheirus був гігантським страусоподібним динозавром.

Протягом багатьох років вважалось, що польські палеонтологи можуть знаходити скам’янілості гігантських вимерлих рептилій тільки організовуючи дорогі експедиції у віддалені частини світу. Цю думку спростував доктор Герард Герлінський з Польського геологічного інституту, який знайшов численні сліди динозаврів у Свентокшийських горах (кілька з них експонуються в залі хижих динозаврів Музею). Це викликало цілу низку нових палеонтологічних відкриттів у Польщі.

Деякі з найбільш значущих палеонтологічних знахідок на території Польщі були зроблені в Красєйові поблизу Ополя, де група молодих дослідників під керівництвом професора Єжи Дзіка у 1993 році виявила ціле кладовище пізньотріасових рептилій і земноводних. Справжньою перлиною серед них стала знахідка решток представників роду Silesaurus – родича динозаврів. Рештки їх скелетів разом з рештками кількох інших наземних і водних тварин, а також їх чудові реконструкції становлять другий після монгольського тематичний блок музейної експозиції.

Інші цікаві польські скам’янілості, наприклад, такі як найдавніший відомий скелет жаби, знайдений у тріасових породах на околицях Кракова, також експонуються в музеї. Інші визначні експонати включають зліпки птерозаврів і ранніх птахів з верхньоюрських вапняків Німеччині, які є одними з найкращих прикладів викопних решток, що підтверджують теорію еволюції Дарвіна. У залі еволюції ссавців експонується прижиттєва реконструкція знаменитого австралопітека «Люсі», створена талановитим скульптором Мартою Шуберт під керівництвом Кароля Сабата, видатного польського популяризатора еволюційної думки. Також представлена колекція зліпків черепів гомінідів, яка демонструє найважливіші еволюційні тенденції в розвитку людини.

Частину тимчасової виставки «Хто дав мені ноги?» Завоювання Землі хребетними» також було включено до постійної експозиції. Вони містять серію стендів, які пояснюють, як хребетні еволюціонували від водних тварин до наземних, але найцікавішим експонатом є діорама, що зображує кілька особин Tiktaalik, що жили на болотах, – тетраподоморфів, рештки яких було знайденого в девонських породах Арктичної Канади. Реконструкції, безумовно, варті того, щоб придивитися уважніше – адже якби не ці тварини, подальшої диверсифікації хребетних тварин на суші, в тому числі людини, ніколи б не відбулося.